materiał EC Siekierki

mgr inż. Wiesław Jamiołkowski
EC Siekierki
WPŁYW KONDYCJONOWANIA SPALIN TRÓJTLENKIEM SIARKI
NA WARTOŚĆ HANDLOWĄ POPIOŁU
1.
Problem składowania odpadów paleniskowych.
Produkcji energii elektrycznej i cieplnej stale towarzyszy problem zagospodarowania odpadów
paleniskowych. Zagadnienie to staje się coraz bardziej aktualne w obliczu postępującej degradacji
środowiska naturalnego. Coraz większa świadomość ekologiczna społeczeństwa wymusza na producentach energii stosowanie technologii umożliwiających utylizację odpadów z kotłów energetycznych, w sposób nie wpływający ujemnie na środowisko. Jest więc oczywiste, że ideałem byłaby sytuacja, gdy stosowane technologie produkcji energii pozwalałyby na pełne wychwycenie
odpadów, a potem na ich pełne dalsze wykorzystanie. Problemy te są szczególnie aktualne w elektrociepłowniach miejskich. Z jednej strony mamy świadomość, że produkcja energii elektrycznej i
cieplnej w skojarzeniu jest najkorzystniejsza ze względów ekonomicznych i ekologicznych. Z
drugiej strony dotychczasowe sposoby składowania odpadów paleniskowych napotykają na silny
opór mieszkańców środowisk zarówno miejskich jak i wiejskich. Demokratyzacja życia i przekazywanie władzy na szczeble samorządów lokalnych sprawiło, że znalezienie terenu na składowisko odpadów paleniskowych stało się praktycznie niemożliwe. Jest to sytuacja ze wszech miar
zdrowa. Stawia niemniej bardzo wysoko poprzeczkę oczekiwań przed producentami urządzeń kotłowych, nie mówiąc już o problemach producentów energii. W takiej właśnie wręcz przykładowej sytuacji znajduje się warszawska Elektrociepłownia „Siekierki”. Zakład wybudowany przed
trzydziestoma pięcioma laty na peryferiach stolicy jest aktualnie wchłaniany przez rozrastającą się
aglomerację. Pojemność składowiska popiołów oddalonego o kilka kilometrów od zakładu ulega
wyczerpaniu.
Kierunki działań EC Siekierki na rzecz ochrony środowiska.
W zaistniałej sytuacji, znalezienie rezerwowego składowiska popiołu dla EC Siekierki spotyka się
ze zdecydowanym oporem samorządów lokalnych. Presja mieszkańców gmin Wilanów i Konstancin, sąsiadujących z czynnym wciąż składowiskiem zmusza do ograniczenia jego
wykorzystania.
EMISJA POPIOŁU
tys.ton
2.
60
50
40
30
20
10
0
50,1
30,3
27,8
25,2
20,3
11,4
1986
1987
1988
1989
1990
1991
3,2
3,2
3,2
2,5
1992
1993
1994
1995
kolejne lata
Rys. 1 Całkowita ilość pyłu emitowanego przez EC Siekierki do atmosfery.
D/W/Siarka/WJ196/96
2
Pod koniec lat 80-tych Zakład stanął w obliczu paradoksalnej wręcz sytuacji. Analizując
rys. 1 nie sposób nie zauważyć ogromnych wręcz ilości pyłu emitowanego przez Elektrociepłownię do atmosfery. Chcąc spełnić wymagania norm jak i zadośćuczynić oczekiwaniom mieszkańców stolicy należało podjąć działania organizacyjno-inwestycyjne ograniczające emisję w pierwszym rzędzie pyłów. Paradoks sytuacji polegał na braku składowiska dla zwiększonej masy wychwyconego popiołu. Podjęto więc proekologiczne działania na kilku równoległych kierunkach:
ograniczenie zapopielenia i zasiarczenia spalanego węgla;
-
wymiana zużytych technicznie urządzeń odpylających;
-
podniesienie sprawności odpylania gazów spalinowych;
-
zagospodarowanie wysypiska popiołów „Zawady”;
-
zagospodarowanie bieżących odpadów paleniskowych przez znalezienie ich
technicznego wykorzystania.
Zagospodarowanie odpadów paleniskowych.
Stopniowy wzrost skali wykorzystania popiołów paleniskowych ilustruje rys. nr 2. Rok 1995
wieńczy wieloletnie wysiłki zmierzające do zagospodarowania popiołu z Elektrociepłowni. Składowisko Zawady wykorzystywane jest obecnie jedynie jako składowisko buforowe, dostosowujące podaż do rytmu odbioru popiołu. Od strony organizacyjno-technicznej wywóz popiołu przedstawia się następująco: popiół wychwytywany w kolejnych komorach elektrofiltrów jest transportowany pneumatycznie do czterech silosów magazynowych znajdujących się na terenie Elektrociepłowni. Podajniki ślimakowe ładują popiół z silosów do wagonów kolejowych. Górna warstwa
popiołu w wagonie zraszana jest specjalną substancją klejowo-dyspersyjną zapobiegającą wtórnemu pyleniu podczas transportu. Silosy wyposażone są również w specjalne rękawy do załadunku autocystern. Pompy zbiornikowe są również w stanie przetłaczać rurociągami popiół z silosów
do Zakładu Produkcji Elementów Prefabrykowanych, zlokalizowanego w sąsiedztwie. Jak wspomniano, tą drogą zagospodarowuje się 100% wychwytywanego popiołu.
Kierunki przemysłowego wykorzystania popiołów są zróżnicowane. Ilustruje to rys. nr 5. Gazobetony produkowane są głównie w sąsiadującym z Elektrociepłownią Siekierki Zakładzie „Prefabet”. EC Siekierki wraz z innymi udziałowcami m.in. Elektrimem, wspomnianym Prefabetem,
Izomarem a także Cementownią Rejowiec założyła spółkę Ekobet. Jej podstawowym zadaniem
jest przemysłowe wykorzystanie popiołów w budownictwie i drogownictwie. Ilość zagospodarowywanego tą drogą popiołu zilustrowana jest na rys. nr 2.
ZAGOSPODAROWANIE ODPADÓW PALENISKOWYCH
tys.ton
3.
-
400
300
200
100
0
100
126
104
219
171
190
192
70
260
0
1991
1992
1993
1994
1995
kolejne lata
sprzedaż
składowanie
Rys. 2 Wykorzystanie przemysłowe popiołów wychwyconych w EC. Siekierki
D/W/Siarka/WJ196/96
3
Ograniczenie zapopielenia i zasiarczenia spalanego węgla.
W latach 80-tych EC Siekierki otrzymywała węgiel o parametrach dalekich od obliczeniowych. W
krytycznym pod tym względem roku 1986 średnia zawartość popiołu w węglu wyniosła 30%
(max 36%). W następnych latach zapopielenie węgla nieznacznie spadło. Decydujące zmiany nastąpiły dopiero po podpisaniu w 1990r umowy z KWK Halemba na dostawy węgla wzbogaconego. Określono wówczas warunki wspólnej budowy instalacji do płukania i wzbogacania węgla.
Efektem umowy były zmiany struktury spalanego węgla. Zmiany zapopielenia spalanego węgla
na przestrzeni lat 1986-95 ilustruje rys.nr 3.
ZAWARTOŚĆ POPIOŁU W WĘGLU
%
30
30
25
20
15
10
5
0
1986
25,8
1987
28,2
1988
27,5
1989
27,2
1990
24,1
1991
21,9
21,1
19,4
19
1992
1993
1994
1995
kolejne lata
Rys. 3 Zapopielenie spalanego węgla
Słuszne skądinąd działania zmierzające do ograniczenia zapopielenia i zasiarczenia węgla napotkały na problem natury technicznej. Spadek zawartości siarki w węglu miał pozytywny wpływ na
ograniczenie emisji SO2 do atmosfery (rys.4 ). Bilansowo ilość emitowanego SO2 w roku 1986
wynosząca 36,1 tyś. ton spadła tylko w wyniku spalania węgla o niższym zasiarczeniu do poziomu ok. 20 tyś. ton w 1990r. Wartość ta utrzymuje się w sposób przybliżony na przestrzeni ostatnich lat. Spadek zawartości siarki w węglu odbił się negatywnie na sprawności elektrofiltrów podstawowych urządzeń. Było to o tyle dotkliwe, że ze względu na dobry stan techniczny, na obiektach tych nie planowano wymiany, czy daleko idącej modernizacji elektrofiltrów.
ZAWARTOŚĆ SIARKI W WĘGLU
1
0,93
0,94
0,88
0,8
%
4.
0,76
0,69
0,7
1990
1991
0,77
0,78
0,77
1992
1993
1994
0,7
0,6
0,4
0,2
0
1986
1987
1988
1989
1995
kolejne lata
Rys. 4 Zawartość siarki w spalanym węglu
D/W/Siarka/WJ196/96
4
Po analizie problemu, jako skuteczne antidotum zaproponowano wspomaganie pracy
elektrofiltrów poprzez kondycjonowanie spalin kontrolowaną precyzyjnie dawką trójtlenku siarki.Rozwiązanie to uznano za najbardziej ekonomiczne w zaistniałej sytuacji. W wyniku akcji ofertowej wyłoniono dostawcę instalacji kondycjonowania spalin w osobie firmy PENTOL GmbH.
Rozruch instalacji nastąpił w 1992r. (patrz rys.1). Instalacja ta pozwoliła przedłużyć czas eksploatacji urządzeń odpylających oraz zwiększyła ich sprawność do poziomu 99,5%. Emisja popiołu z
każdego z czterech kotłów OP 430 na których zastosowano kondycjonowanie spadło znacząco z
poziomu 70-100 kg/h do wartości 14-20 kg/h. Rozwiązało to w praktyce problem emisji popiołu z
podstawowych kotłów energetycznych elektrowni. W przypadku wysłużonych, czterech trzydziestoletnich kotłów OP 230 zdecydowano się na radykalną wymianę elektrofiltrów na nowoczesne
konstrukcje czterostrefowe. Proces inwestycyjny prowadzony był w latach 1991-1993. Daty uruchomienia w/w urządzeń (tj. graniczny rok 1992) w sposób znaczący zauważalne na rysunku nr 1,
obrazującym globalną ilość pyłu emitowaną przez EC Siekierki do atmosfery.
5.
Problematyka zagospodarowania kondycjonowanych popiołów.
Z uwagi na planowane, a obecnie w pełni realizowane całkowite handlowe przeznaczenie wychwytywanych popiołów, ich jakość podlega stałej analizie i kontroli. Testy wykonywane są na
bieżąco przez służby elektrociepłowni i okresowo przez licencjonowane placówki badawcze
(Energopomiar, Instytut Energetyki).Przykładową analizę popiołu przedstawia rys. 6. Należy obiektywnie powiedzieć, że w całej historii kontraktów handlowych z firmami kupującymi popiół
w celach produkcyjnych z EC Siekierki, nie odnotowano reklamacji dotyczącej chemicznych własności surowca. Należy przy tym dodać, że odbiorcy również poddają wyrywkowe partie surowca
kontroli jakościowej.
KIERUNKI ZAGOSPODAROWANIA ODPADÓW
PALENISKOWYCH
14% inne materiały
budowlane
27% gazobeton
59 % cement
Rys 5 Przemysłowe wykorzystanie popiołów z EC. Siekierki
Z uwagi na technologię zbierania popiołu spod lei elektrofiltrów, opisane w pkt. 3 partie popiołu z
obiektów wspomaganych kondycjonowaniem mieszają się przed ekspedycją z popiołami pochodzącymi z elektrofiltrów pracujących w sposób tradycyjny. Ogranicza to ewentualne różnice w jakości popiołu (przy założeniu, że różnice takie istnieją).
Należy jednak podkreślić, że pobierając próbki do analiz jakościowych czyniono to bezpośrednio
na obiektach, nie pobierając próbek popiołu wymieszanego w silosach pośredniego przechowyD/W/Siarka/WJ196/96
5
wania.
Wyprzedzając
przedstawienie wyników analiz można powiedzieć, że nie
stwierdzono dyskwalifikującego wpływu kondycjonowania spalin na wartość handlową popiołów.
PRZYKŁADOWY SKŁAD ANALITYCZNY POPIOŁU
60
54,1 52,2
skala zmiany zasiarczenia popiołu
popiół naturalny
40
26,4
K2O
Na2O
SO3
MgO
Al2O3
Fe2O3
0
SIO2
10
P2O5
6,59 2,82 0,76
1,05
2,98
3,57
0,36 0,93
0,11 0,98
2,75
0,55 0,32 0,89 2,93
0,1
6,5 7,1
CaO
20
25,4
TiO2
30
Mn3O4
udział procentowy
50
popiół kondycjonowany
wyodrębnione składniki
rys .6 Porównawcze zestawienie analiz składu popiołów naturalnych i
kondycjonowanych.
5.1.
Odczyn popiołu kondycjonowanego
Pomiar porównawczy wykonano badając odczyn wodnych roztworów popiołów pobranych z elektrofiltrów poddanych kondycjonowaniu i pracujących w sposób tradycyjny. Porównanie dotyczy
dwóch kotłów OP 430 pracujących z obciążeniem nominalnym. W przypadku obiektu kondycjonowanego zastosowano dawkę 20 ppm SO3. Jak obrazuje to załączony poniżej rysunek nr.7,
wpływ kondycjonowania na odczyn popiołu jest pomijalny. Mieści się przy tym w błędzie pomiaru.
ODCZYN POPIOŁU
10,4
10,4
10,4
wartość pH
10,3
10,2
10,1
9,95
10
9,9
9,8
obiekty
kondycjonowane
9,7
S1
K10
K11
K15
numer stacyjny kotła
rys. 7 Analiza porównawczea popiołu naturalnego z kondycjonowanym.
D/W/Siarka/WJ196/96
6
Zawartość procentowa siarki w popiele
ZAWARTOŚĆ SIARKI W POPIELE
0,45
zawartość procentowa siarki w
popiele
5.2.
0,39
obiekty
kondycjonowane
0,4
0,35
0,45
data pomiaru
2.02.96
6.02.96
0,3
0,25
0,19
0,15
0,2
0,15
0,1
0,13
0,07
0,06
7.02.96
0,14
0,04
0,03
0,02
0,05
0,05
0,06 0,05 0,06
0,04
0,1
0,04
0
K2
K10
K11
K14
K15
K16
numer stacyjny kotła
rys. 8 Analiza porównawcza zasiarczenia popiołów naturalnych i kondycjonowanych.
Analizując wpływ kondycjonowania spalin trójtlenkiem siarki, w niniejszego opracowaniu bazowano na analizach popiołu z czterech kwartałów roku 1995, jak również badaniach analitycznych
procentowej zawartości siarki w popiele, z próbek z bieżącej eksploatacji. Ocenie poddano też
wpływ kondycjonowania na odczyn popiołu. Logika podpowiada, by różnic w jakości popiołów
szukać w zmianach zawartości siarki lub jej związków w popiele. W przypadku analiz popiołu
wyraźna różnica zawartości SO3 w popiele występuje między próbkami pobranymi z części blokowej i kolektorowej EC Siekierki (część kolektorowa jest niekondycjonowana). Wyraźnie większa jest też zawartość siarki w próbkach popiołów pobranych z kotłów poddanych kondycjonowaniu . Analizując stronę teoretyczną procesu t.j. zmiany oporności właściwej popiołu na skutek
kondycjonowania trójtlenkiem siarki, można pokusić się o oszacowanie spodziewanych ilości
siarki lub jej związków w popiele. Teoria mówi, że obniżenie oporności właściwej popiołu, a tym
samym podniesienie sprawności pracy elektrofiltra związane jest z procesem powlekania cząstek
pyłu rodnikami kwasu siarkowego. W kotle energetycznym ze względu na prędkość przepływu i
ograniczony czas przebywania w sprzyjającej tworzeniu SO3 temperaturze, siarka zawarta w paliwie w głównej swej masie ulega utlenieniu do SO2. Stąd też z uwagi na własności fizyczne
popiołu powstałego ze spalania węgli niskosiarkowych praca urządzeń odpylających może być
utrudniona, a ich sprawność niższa od oczekiwanej.
Poniżej przedstawiono szacunkowe obliczenia spodziewanych wartości siarki w popiele dla przypadku kondycjonowania spalin z kotła OP 430. Obliczenia te posłużyły do porównania z uzyskanymi doświadczalnie wartościami :
Obliczenia dla kotła OP 430 :
- założone zużycie paliwa (węgla) przy obciążeniu trwałym 430 t/h
58 t/h
- założona średnia zawartość popiołu w paliwie 19%
11,02 t/h
D/W/Siarka/WJ196/96
7
- ilość popiołu lotnego (przyjęto 95% ilości całkowitej) 0,95x11020 kg/h
10469 kg/h
- założona średnia zawartość siarki w paliwie 0,75%
435 kg/h
- teoretyczna emisja SO2 ze spalonej ilosci paliwa
(przy założeniu że 96% siarki ulega spaleniu do SO2)
835,2 kg/h
16,7 kg/h
- ilość powstałego SO3 jako 2% w/w wartości
- przy założeniu, że powstały SO3 powleka równomiernie
wszystkie cząsteczki emitowanego pyłu procentowa zawartość SO3
w popiele niekondycjonowanym winna wynieść 16,7/10469
0,16%
- zawartość siarki w popiele niekondycjonowanym
zakładając ,że siarka zawarta w popiele pochodzi z trójtlenku
z nim związanego uzyskujemy: 16,7kg SO3/80/32
6,68 kg/h
procentowa zawartość siarki w popiele 6,68/10469 x 100%
0,06%
- kondycjonowanie spalin dawką 20 ppm SO2 wprowadza 35 kg SO2/h
sprawność procesu katalitycznego utleniania
SO2 do SO3 wynosi 90% ,zatem przetworzone zostanie:
31,5 kg SO2/h
SO3
80
z czego powstanie:
/SO2 x 31,5 = /64 x 31,5
39,4 kg SO3/h
- przy powtórnym założeniu, że powstały SO3 całkowicie zostanie
związany z popiołem, to ilość SO3 w popiele winna wynieść: 16,7 + 39,4 =
56,1 kg
SO3
- procentowa zawartość SO3 w popiele kondycjonowanym wyniesie: 56,1/10469 x 100% =
0,53%
- ilość siarki w popiele kondycjonowanym: 56,1/80/32
22,44 kg/h
- procentowa zawartość siarki w popiele kondycjonowanym:
22,44/10469 x 100% = 0,21%
udział procentowy w
masie popiołu
TEORETYCZNA ZMIANA ZASIARCZENIA POPIOŁU
0,53
0,6
0,5
0,4
0,3
0,21
0,16
0,06
0,2
popiół naturalny
popiół kondycjonowany
0,1
0
SO3
S
analizowany składnik
rys. 9
Zestawienie wyliczonych teoretycznie zmian zasiarczenia popiołu ,po zastosowaniu
kondycjonowania spalin trójtlenkiem siarki
D/W/Siarka/WJ196/96
8
6.
Podsumowanie
Porównując uzyskane w wyniku obliczeń teoretycznych wartości SO3 i S w popiołach tradycyjnych i kondycjonowanych można stwierdzić, że zawartość siarki jako SO3 w popiele w wyniku
kondycjonowania może wzrosnąć mniej niż 0,4 %. Podobnie w popiele kondycjonowanym procentowa zawartość siarki winna wzrosnąć o około 0,15 %. Porównując z kolei uzyskane teoretycznie wartości z danymi pomiarowymi (rys. 6 i 7 ) możemy potwierdzić te zależności. Wyliczone proporcje korespondują szczególnie z wartościami siarki zawartej w popiele. Oczywiście
w/w obliczenia mają charakter zgrubny. Wykazują jednak prawidłowość pozwalając określić przy
tym skalę i proporcje zjawiska.
Dotychczasowe praktyczne doświadczenia z przemysłowym wykorzystaniem popiołów paleniskowych dowodzą, że kondycjonowanie spalin nie powoduje zmian składu popiołu uniemożliwiającą lub utrudniającą jego dalszą utylizację.
D/W/Siarka/WJ196/96